[发明专利]一种用于金属材料半固态成形的液压系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种用于金属材料半固态成形的液压系统及其控制方法，通过建立一个控制金属材料半固态成形充型速度的控制模型，在该控制模型中，充型速度，即液压缸中活塞的移动速度，取决于控制该液压缸的伺服阀的控制电压。因此，为了得到期望的充型速度，即液压缸中活塞的移动速度，需要对相应的伺服阀的控制电压进行控制。系统包括：用于材料成形的型腔、推动半固态金属材料进入型腔的推板、用于驱动推板运动的液压活塞及活塞杆、三位四通电磁伺服阀。通过该控制方法和液压系统，可以根据所需要的变化的充型速度，确定相应的控制变量，以实现按照所需要的充型速度完成充型，从而可以在保证工件质量的同时，加快充型的速度，提高生产效率。

主权项

一种用于金属材料半固态成形的液压系统的控制方法，其中，所述用于金属材料半固态成形的液压系统包括：用于材料成形的型腔、推动半固态金属材料进入型腔的推板、用于驱动推板运动的液压活塞及活塞杆、用于控制液压活塞及活塞杆运动的三位四通电磁伺服阀，其中，在液压缸和推板之间设置有弹簧，当三位四通电磁伺服阀的左位接入系统时，液压缸第二腔室中的压力升高，推动活塞、活塞杆、推板朝向型腔运动，完成充型过程；所述控制方法适用于根据需要的充型速度v确定所述三位四通电磁伺服阀的控制电压u，具体步骤如下：（1）步骤1：根据实际需要，通过实验或模拟的方法，确定理想的充型速度，得到充型速度随时间变化的曲线；（2）步骤2：建立如式（1）所示的液压系统的非线性状态空间模型，$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_3\\ {\stackrel{\·}{x}}_4\\ {\stackrel{\·}{x}}_5\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ \frac{1}{m}\·(x_3\·A_K-x_4\·a{\·A}_K-F_R-F_L)\\ \frac{E}{V_{\mathrm{totB}}+x_1\·A_K}\·(x_5\·B_V\·\sqrt{p_V-x_3}-A_K\·x_2)\\ \frac{E}{V_{\mathrm{totA}}+(L-x_1)\·A_K}(A_K\·a\·x_2-x_5\·B_V\·\sqrt{x_4})\\ -\frac{x_5}{T_V}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ \frac{K_V}{T_V}\end{array}\right]\·u---\left(1\right)$该模型适用于伺服阀的正向行程，其中各参数的含义如下：变量x₁表示活塞和活塞杆的位移，即推板的位移；变量x₂表示活塞和活塞杆的移动速度，即推板的移动速度；变量x₃表示液压缸第二腔室中的压力；变量x₄表示液压缸第一腔室中的压力；变量x₅表示伺服阀的位移；变量u表示伺服阀的控制电压；p_V表示液压泵提供的液压压力，为一常数；m表示系统中被驱动的物体的质量，为一常数；L表示活塞和活塞杆的总行程，为一常数；A_K表示液压缸中第二腔室的面积，为一常数；a表示液压缸中第一腔室和第二腔室的面积比，为一常数；E表示液压流体的压缩模量，为一常数；V_totA和V_totB分别表示液压缸中第一腔室和第二腔室的死区容积，为一常数；B_V表示伺服阀的排放系数，为一常数；T_V和K_V分别表示将伺服阀看作是一阶延迟元件时的时间常数和增益常数；F_R表示液压缸中的摩擦力；F_L表示液压缸的负载；在该模型中，输入的控制变量为伺服阀的控制电压u，而输出为活塞和活塞杆的移动速度x₂；（3）步骤3：模型的简化，假设液压流体为无限刚性流体，即该液压流体的压缩模量E为无穷大，即式（1）中的相关等式可以表示为如下式（2）的形式：$\underset{E\→\∞}{\lim }({\stackrel{\·}{x}}_3\·\frac{V_{\mathrm{totB}}+x_1\·A_K}{E})=0=-A_K\·x_2+x_5\·B_V\·\sqrt{p_V-x_3}$$\underset{E\→\∞}{\lim }({\stackrel{\·}{x}}_4\·\frac{V_{\mathrm{totA}}+(L-x_1)\·A_K}{E})=0=A_K\·a\·x_2-x_5\·B_V\·\sqrt{x_4}---\left(2\right)$将式（2）变形后可以得到式（3）如下：$x_3=p_V-{\left(\frac{A_K\·x_2}{B_V\·x_5}\right)}^2;x_4={\left(\frac{A_K\·a\·x_2}{B_V\·x_5}\right)}^2---\left(3\right)$将式（3）代入式（1）中的相关等式，即可得到如下式（4）所示简化的模型：$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_5\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{m}\·(A_K\·p_V-F_R-F_L-\frac{{A_K}^3\·{x_2}^2}{{x_5}^2\·B_V^2}\·(1+a^3))\\ -\frac{x_5}{T_V}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{K_V}{T_V}\end{array}\right]\·u---\left(4\right)$（4）步骤4：确定伺服阀的控制电压u与活塞和活塞杆的移动速度x₂的关系，将式（4）中的第一行等式变形，得到式（5）如下：$x_5=\frac{1}{B_V}\·\sqrt{\frac{{A_K}^3\·{x_2}^2\·(1+a^3)}{A_K\·p_V-m\·{\stackrel{\·}{x}}_2-F_R-F_L}}---\left(5\right)$对式（5）求时间上的导数，得到式（6）如下：${\stackrel{\·}{x}}_5=\frac{1}{B_V}\·\sqrt{\frac{{A_K}^3\·(1+a^3)}{(A_K\·p_V-m\·{\stackrel{\·}{x}}_2-F_R-F_L)}}\·({\stackrel{\·}{x}}_2+\frac{x_2}{2}\·\frac{m\·{\stackrel{\·\·}{x}}_2+{\stackrel{\·}{F}}_R+{\stackrel{\·}{F}}_L}{A_K\·p_V-m\·{\stackrel{\·}{x}}_2-F_R-F_L})---\left(6\right)$将上式（5）和（6）代入式（4）中的第二行等式，即可得到式（7）如下：$\begin{array}{c}u=\frac{1}{K_V\·B_V}\·\sqrt{\frac{{A_K}^3\·(1+a^3)}{(A_K\·p_V-m\·{\stackrel{\·}{x}}_2-F_R-F_L)}}\\ \·(T_V\·{\stackrel{\·}{x}}_2+x_2\·(1+\frac{T_V}{2}\·\frac{m\·{\stackrel{\·\·}{x}}_2+{\stackrel{\·}{F}}_R+{\stackrel{\·}{F}}_L}{A_K\·p_V-m\·{\stackrel{\·}{x}}_2-F_R-F_L}))\end{array}---\left(7\right)$式（7）表示的是伺服阀的正向行程中，伺服阀的控制电压u与活塞和活塞杆的移动速度x₂的关系；类似的，可以得到伺服阀的反向行程中，伺服阀的控制电压u与活塞和活塞杆的移动速度x₂的关系如式（8）所示：$\begin{array}{c}u=\frac{1}{K_V\·B_V}\·\sqrt{\frac{{A_K}^3\·(1+a^3)}{(A_K\·{a\·p}_V+m\·{\stackrel{\·}{x}}_2+F_R+F_L)}}\\ \·(T_V\·{\stackrel{\·}{x}}_2+x_2\·(1-\frac{T_V}{2}\·\frac{m\·{\stackrel{\·\·}{x}}_2+{\stackrel{\·}{F}}_R+{\stackrel{\·}{F}}_L}{A_K\·a\·p_V+m\·{\stackrel{\·}{x}}_2+F_R+F_L}))\end{array}---\left(8\right)$根据式（7）和（8），即可根据需要的充型速度v确定所述三位四通电磁伺服阀的控制电压u，完成充型过程。